直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制分析

武保東

摘 要：直流微電網(wǎng)是一種新興的微電網(wǎng)形式，與交流微電網(wǎng)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電能轉(zhuǎn)化率高、電能質(zhì)量高，可以提高分布式電源的效率，對(duì)于節(jié)能減排以及實(shí)現(xiàn)能源有效利用有重大意義。直流微電網(wǎng)在未來智能配用電系統(tǒng)中將發(fā)揮巨大作用，設(shè)備級(jí)控制和系統(tǒng)級(jí)控制是直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制的兩種主要方式，本文主要從這個(gè)兩個(gè)方面對(duì)直流微電網(wǎng)的運(yùn)行控制進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng) 設(shè)備級(jí)控制 系統(tǒng)級(jí)控制

中圖分類號(hào)：TM71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（c）-00-02

近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，面臨的能源消耗及環(huán)境污染等問題日趨嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者開始關(guān)注新能源分布式發(fā)電技術(shù)，可再生能源微電網(wǎng)由于接入負(fù)荷的不確定性導(dǎo)致一系類波動(dòng)性問題，造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性以及安全性等問題，嚴(yán)重制約著新能源的消納。直流微電網(wǎng)作為一種新興的微電網(wǎng)形式，可獨(dú)立運(yùn)行也可與主電網(wǎng)分離運(yùn)行，提高了配電系統(tǒng)的安全性和供電可靠性，同時(shí)由于采用光伏、風(fēng)能等新能源分布式發(fā)電，避免了化石能源的使用，有利于節(jié)能減排。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)使用直流母線將分布式電源連接成微電網(wǎng)，在許多方面優(yōu)于交流微電網(wǎng)。例如，直流微網(wǎng)中的各類分布式電源與直流母線的連接方式簡(jiǎn)單，使得新能源分布式電源更容易整合到直流微電網(wǎng)中，而且無需考慮交流電網(wǎng)中電壓的頻率、相位等問題。此外，通過分別控制直流母線電壓和電流可以實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)功率平衡控和潮流的控制。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于直流微電網(wǎng)的研究得到了進(jìn)一步發(fā)展，主要包括微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的穩(wěn)定性、利用效率等方面。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)直流微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，主要對(duì)直流微網(wǎng)運(yùn)行控制策略進(jìn)行了分析。

1 控制目標(biāo)分析

直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)的運(yùn)行都包括并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式。當(dāng)直流微電網(wǎng)以其中一種方式運(yùn)行時(shí)，都是用直流母線電壓來反映系統(tǒng)功率是否平衡。對(duì)直流母線電壓的控制，可以通過直流微電網(wǎng)系統(tǒng)和大電網(wǎng)接口的變換器進(jìn)行控制，也可以通過直流微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

目前已有文獻(xiàn)提出基于直流母線電壓信號(hào)直流微電網(wǎng)運(yùn)行的控制方法，這種控制方法一般適用于單一母線直流微電網(wǎng)的運(yùn)行控制，但對(duì)含有多條母線和線路阻抗的復(fù)雜直流微電網(wǎng)來說實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制仍具有一定的局限性，如直流母線電壓隨穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)變化而發(fā)生變化、工作運(yùn)行模式受限、儲(chǔ)能系統(tǒng)及直流微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等。為此，有文獻(xiàn)提出了設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)控制的協(xié)調(diào)控制策略，該控制策略能夠在不同時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。設(shè)備級(jí)控制的目的在于保證母線電壓恒定，實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)功率平衡，從而使微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)級(jí)控制的主要目的是在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和能量?jī)?yōu)化控制，繼而提升系統(tǒng)整體運(yùn)行效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行。

2 設(shè)備級(jí)控制策略

該策略以直流母線電壓控制為主要對(duì)象，根據(jù)控制方法的不同分為主從控制和對(duì)等控制。主從控制通常只有獨(dú)立控制器來控制直流母線電壓，對(duì)于復(fù)雜直流微電網(wǎng)，如果此控制器出現(xiàn)故障，直流微電網(wǎng)將失去功率平衡，造成電壓跌落甚至系統(tǒng)崩潰，所以主從控制的可靠性較差，對(duì)于簡(jiǎn)單直流微電網(wǎng)比較適合。對(duì)等控制主要基于下垂控制方法，對(duì)復(fù)雜直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定有很好的控制作用。該方法中，系統(tǒng)存在多個(gè)功能對(duì)等能夠控制直流母線電壓的器，每個(gè)主控制器都通過各自輸入端口接收直流母線功率和輸出端口直流電壓等本地信息，能夠共同協(xié)調(diào)控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定性以及功率的平衡。即使其中某個(gè)主控制器因故障退出運(yùn)行，依然可通過剩下的控制器保證對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行控制。相比于主從控制，對(duì)等控制的可靠性得到了提高。

3 系統(tǒng)級(jí)控制策略

3.1 二次協(xié)調(diào)控制

上文中設(shè)備級(jí)控制主要面臨多電源均流和穩(wěn)態(tài)電壓偏差等問題，為此，有文獻(xiàn)提出了二次協(xié)調(diào)控制，二次協(xié)調(diào)控制主要分為集中通信控制、集中通信分布式控制和分布式協(xié)同控制3種方式。

（1）集中通信控制。使用二次集中控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)直流微網(wǎng)的二次協(xié)調(diào)控制。二次集中控制器檢測(cè)直流母線電壓以及參與直流母線電壓控制的各主控制器輸出功率，然后進(jìn)行相應(yīng)的直流母線電壓穩(wěn)定和各單元輸出均流控制算法，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制目的。此方法的最大缺陷就是當(dāng)二次集中控制器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)無法完成二次協(xié)調(diào)控制，降低了系統(tǒng)控制的可靠性。

（2）集中通信分布式控制。不同于集中通信控制該方法是利用二次控制器嵌入各主控制器中，直接接收自身以及其他各主控制器出口直流電壓、輸出功率等檢測(cè)信息，發(fā)出下垂控制調(diào)整指令，二次協(xié)調(diào)控制算法在各個(gè)主控制器執(zhí)行，因此系統(tǒng)可靠性得到提升。但是由于檢測(cè)的信息增多，增加了網(wǎng)絡(luò)通信容量。

（3）分布式協(xié)同控制。各主控制器只與鄰近控制器通信，通過接收自身及相鄰控制器發(fā)出的信息，輸出調(diào)節(jié)指令，從而達(dá)到分布式協(xié)同控制直流微電網(wǎng)二次電壓穩(wěn)定和均流控制目的。此方法不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，而且降低了通信網(wǎng)絡(luò)的壓力。

3.2 能量?jī)?yōu)化系統(tǒng)控制

能量?jī)?yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)分布式電源有效利用，安全運(yùn)行的重要保障，能量管理系統(tǒng)主要有集中式、分布式和混合式3種。

（1）集中式控制。由統(tǒng)一的中央控制器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各單元進(jìn)行集中監(jiān)控。該控制方式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)中央控制器依賴性較高，可靠性不夠高。

（2）分布式控制。通常通過多代理方式，各單元控制其通過與鄰近單元進(jìn)行相互通信實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，易于實(shí)現(xiàn)即插即用但缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理，且對(duì)分布式優(yōu)化運(yùn)行算法要求較高。

（3）混合式控制。在此種控制體系中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域有效劃分，每個(gè)控制區(qū)域都有分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)荷，并且每個(gè)區(qū)域有獨(dú)立的控制器負(fù)責(zé)本區(qū)域的優(yōu)化運(yùn)行控制，各區(qū)域之間各自的控制器通過互相通信協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制。該控制方式集合了集中式和分布式控制的優(yōu)點(diǎn)，不但對(duì)于多母線直流微網(wǎng)比較適用，而且使得直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性得到了提高。

4 結(jié)語

本文主要從直流微電網(wǎng)設(shè)備級(jí)控制和系統(tǒng)級(jí)控制兩方面對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行控制了分析。設(shè)備級(jí)控制主要通過控制直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)功率的平衡，從而保持直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；系統(tǒng)級(jí)控制對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和能量?jī)?yōu)化，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。如何提高設(shè)備級(jí)控制的魯棒性以及系統(tǒng)級(jí)控制的可靠性、靈活性和可擴(kuò)展性，是未來直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)研究的重要方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 張犁，孫凱，吳田進(jìn)，等.基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)能量變換與管理[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（2）：248-254.

[2] 薛貴挺，張焰，祝達(dá)康.孤立直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（3）：112-117.

[3] 張國(guó)榮，徐宏.直流微網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電器與能效管理技術(shù)，2012（15）：1-5.

[4] Fletcher S D A，Norman PJ，F(xiàn)ong K，et al. High-Speed Differential Protection for Smart DC Distribution Systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（5）：2610-2617.